Empyrean 模擬集成電路設計與工程

胡遠奇

長期從事高精度數模混合集成電路設計工作。2015年獲英國帝國理工學院博士學位，2015—2018年擔任芯片企業Cirrus Logic的研發設計師，2018年入職北京航空航天大學，獲評國 家級青年人才。主持國家自然科學基金區域聯合重點項目等7個項目，發表論文20餘篇。擔任國家“十四五”重點研發計劃“微納電子技術”重點專項總體專 家組成員、IEEE TBiOCAS 編委及IEEECAS傳感系統技術委員會委員等。

 

王昭昊

長期從事存儲器及集成電路教學科研工作。2015年獲法國巴黎薩克雷大學物理學博士學位，2016年入職北京航空航天大學。主講本科生核心專業課“模擬集成電路基礎”，以第 一作者或通信作者身份發表學術論文60餘篇，獲30餘項發明專利授權，轉讓專利4項。獲北京市高等教育教學成果二等獎、中國電子學會自然科學一等獎等。

第 1 章 緒論 1

1.1　經典的模擬集成電路　1

1.2　模擬集成電路的主要推動力　2

1.3　CMOS 技術與工藝　3

1.4　設計技巧與工程思想　3

1.5　電路模擬工具： 華大九天Empyrean　4

 

第　2 章 MOSFET 物理特性　6

2.1　MOSFET 的基本伏安特性　6

2.1.1　原理簡介　6

2.1.2　模擬實驗： MOSFET 的伏安特性曲線　7

2.1.3　模擬實驗： MOSFET 的二級效應　14

2.2　MOSFET 的小信號模型　21

2.2.1　小信號模型的理論依據　21

2.2.2　模擬實驗： MOSFET 的小信號參數測試　24

2.3　MOSFET 的幾種常見連接方式　33

2.3.1　MOSFET 的二極管連接方式　33

2.3.2　MOSFET 的電流源連接方式　34

2.3.3　模擬實驗：二極管連接型MOSFET 和電流源連接型 MOSFET　34

2.4　課後練習　37

 

第　3 章 CMOS 單級放大器　38

3.1　共源放大器　38

3.1.1　以電阻為負載的共源放大器　38

3.1.2　推輓放大器　41

3.1.3　帶源極負反饋的共源放大器　42

3.1.4　模擬實驗：共源放大器　43

3.2　源跟隨器　51

3.2.1　源跟隨器的基礎理論　52

3.2.2　模擬實驗：源跟隨器模擬　53

3.3　共柵放大器　56

3.3.1　共柵放大器的基礎理論　56

3.3.2　模擬實驗：共柵放大器的模擬　57

3.4　共源共柵放大器　60

3.4.1　共源共柵放大器的基礎理論　61

3.4.2　模擬實驗：共源共柵放大器的模擬　62

3.5　課後練習　65

 

第　4 章 CMOS 差分放大器　66

4.1　基本差分對　66

4.1.1　基本差分對的直流分析　67

4.1.2　模擬實驗：基本差分對的直流特性分析　68

4.1.3　半邊電路法　71

4.1.4　模擬實驗：基本差分對的小信號特性分析　73

4.2　共模響應　76

4.2.1　尾電流源阻抗的影響　76

4.2.2　MOSFET 失配的影響　78

4.2.3　模擬實驗：差分放大器的共模響應　78

4.3　課後練習　84

 

第　5 章 電流鏡與偏置電路　85

5.1　電流鏡的工作原理　85

5.1.1　基本電流鏡　85

5.1.2　共源共柵電流鏡　87

5.1.3　模擬實驗：電流鏡的特性曲線　88

5.2　高輸出擺幅的共源共柵電流鏡　91

5.2.1　共源共柵電流鏡擺幅分析　91

5.2.2　兩種高輸出擺幅的共源共柵電流鏡　91

5.2.3　模擬實驗：高輸出擺幅的共源共柵電流鏡　94

5.3　電流鏡用作有源負載　96

5.3.1　有源負載的原理　96

5.3.2　模擬實驗：以電流鏡作為負載的差分放大器　98

5.4　偏置電路　103

5.4.1　恆定跨導偏置電路　104

5.4.2　模擬實驗：恆定跨導偏置電路　106

5.5　課後練習　111

 

第　6 章 頻率響應　112

6.1　頻域分析的基礎理論　112

6.1.1　零點和極點　112

6.1.2　波特圖　114

6.1.3　模擬實驗：二階系統的幅頻響應　116

6.2　共源放大器的頻率特性　121

6.2.1　MOSFET 電容　121

6.2.2　小信號分析法　121

6.2.3　近似分析　123

6.2.4　特徵頻率　125

6.2.5　模擬實驗：共源放大器的頻率響應　126

6.3　課後練習　131

 

第　7 章 MOSFET 的進階特性　132

7.1　弱反型區　132

7.1.1　理論分析與模型　132

7.1.2　模擬實驗： MOSFET 的弱反型區　134

7.2　速度飽和區　138

7.2.1　理論分析與模型　138

7.2.2　模擬實驗： MOSFET 的速度飽和區　140

7.3　共源放大器的特徵頻率　142

7.3.1　跨區域特徵頻率估算　142

7.3.2　模擬實驗：共源放大器的特徵頻率　144

7.4　跨區域的工程設計方法論　147

7.4.1　gm/ID 方法論　147

7.4.2　模擬實驗： gm/ID 工程設計方法　148

7.5　課後練習　150

 

第　8 章 反饋與穩定性　151

8.1　反饋與穩定性問題　151

8.1.1　開環增益、閉環增益與環路增益　151

8.1.2　運算放大器的反饋　152

8.1.3　運算放大器的穩定性　154

8.1.4　模擬實驗：相位裕度的測量　159

8.2　有源負載差分對的穩定性　164

8.2.1　有源負載差分對　164

8.2.2　模擬實驗：有源負載差分對的頻率特性　166

8.3　課後練習　169

 

第　9 章 密勒運算放大器的系統性設計　170

9.1　兩級運算放大器的穩定性問題　170

9.1.1　兩級運算放大器的級聯　170

9.1.2　極點分離技術　171

9.1.3　正零點補償技術　173

9.1.4　模擬實驗：兩級運算放大器中的密勒補償　176

9.2　密勒運算放大器的系統性設計方法　179

9.2.1　運算放大器的系統性設計思路　179

9.2.2　模擬實驗：運算放大器系統性設計方法　182

9.3　課後練習　184

 

第　10 章 噪聲　185

10.1　晶體管的噪聲　185

10.1.1　熱噪聲　185

10.1.2　閃爍噪聲　188

10.1.3　噪聲帶寬　189

10.1.4　模擬實驗： MOSFET噪聲特性的標定　190

10.2　電路系統中的噪聲優化　193

10.2.1　噪聲的等效轉換　193

10.2.2　模擬實驗：五管 OTA 的噪聲優化　198

10.3　課後練習　201

 

第　11 章 失調與共模抑制比　202

11.1　失調的來源　202

11.1.1　隨機性失調　202

11.1.2　電路中失調因素的轉換　205

11.1.3　系統性失調　206

11.1.4　模擬實驗：五管 OTA 的輸入等效失調電壓優化　207

11.2　共模抑制比　210

11.2.1　隨機性共模抑制比　211

11.2.2　系統性共模抑制比　214

11.2.3　共模抑制比的模擬測量方法　218

11.2.4　模擬實驗：五管 OTA 的共模抑制比設計與優化　219

11.3　課後練習　223

 

附錄　本書 180 nm 工藝下 gm/ID模擬圖　224